宇宙船の設計

宇宙船の設計は、システム エンジニアリングの原理を体系的に適用して、宇宙空間での移動、操作、または探査を含むミッション用の複雑な乗り物を構築するプロセスです。この設計プロセスでは、宇宙船のアーキテクチャ、サブシステム、コンポーネント、インターフェイス、および運用要件を概説した包括的なドキュメント、および場合によってはプロトタイプ モデルやシミュレーションを含む、宇宙船システムの詳細な設計仕様、概略図、および計画が作成されます。これらはすべて、宇宙船がミッションの目的とパフォーマンス基準を満たしていることを確認するための、宇宙船の製造、組み立て、統合、およびテストの青写真として機能します。

宇宙船の設計はいくつかのフェーズで行われます。最初に、新しい宇宙船システムの実現可能性と望ましさを決定するために概念設計が行われ、ミッションを遂行するための信頼できる設計が存在することが示されます。概念設計レビューでは、設計が技術的欠陥なしにミッションステートメントを満たし、内部的に一貫していることを確認します。次に、予備設計が実行されます。ここでは、サブシステムレベルとシステムレベルの両方で機能パフォーマンス、要件定義、およびインターフェイス定義に重点が置かれます。予備設計レビューでは、予備設計の妥当性を評価します。次のフェーズでは、システム全体とすべてのサブシステムの詳細設計が描画およびコード化され、設計がシステムを製造、統合、およびテストするのに十分な詳細度であるかどうかを評価する重要な設計レビューが実行されます。^{[1] [2]}

宇宙船の設計全体を通じて、潜在的なリスクが厳密に特定、評価、および軽減され、システムコンポーネントが適切に統合され、包括的にテストされます。ライフサイクル全体（打ち上げ、ミッション運用、ミッション終了時の廃棄を含む）が考慮されます。設計の有効性と信頼性を改良、最適化、および強化するために、レビューとテストの反復プロセスが継続的に採用されています。特に、宇宙船の質量、電力、熱制御、推進、高度制御、通信、コマンドとデータ、および構造の側面が考慮されます。適切な打ち上げロケットを選択し、選択した打ち上げロケットに設計を適合させることも重要です。^{[1] [2]}規制遵守、国際基準の順守、持続可能でデブリのない宇宙環境の設計は、最近重要になっている他の考慮事項です。

宇宙船の設計には、ロボット宇宙船(衛星や惑星探査機) と有人宇宙飛行用の宇宙船(宇宙船や宇宙ステーション) の両方の設計が含まれます。人間を運ぶ宇宙船には、追加の生命維持システム、乗組員の居住施設、乗員をサポートするための安全対策、および人間工学、乗組員の快適性、精神的健康などの人的要因工学の考慮が必要です。ロボット宇宙船には、自律性、信頼性、および人間の介入なしでの遠隔操作機能が必要です。それぞれに関連する独特の性質と固有のニーズと制約は、宇宙船の設計上の考慮事項に大きな影響を与えます。

宇宙船設計における最近の開発には、高比推力推進のための電気推進システム（イオンスラスタやホール効果スラスタなど）、従来のロケットを必要とせずに連続的に推進するソーラーセイル（太陽輻射圧を使用）、 ^[3]軽量で耐久性のある部品の迅速な試作と製造のための付加製造（3Dプリンティング）と先端材料（先端複合材料、ナノ材料、スマート材料など）、宇宙船の自律性と長距離ミッションにおける運用効率の向上を実現する人工知能と機械学習支援自律システム、天体上の局所資源の抽出と利用のための現場資源利用（ISRU）技術、地球周辺の費用対効果の高い宇宙ミッションのためのキューブサットやその他の標準化された小型衛星^[3]などがあります。

宇宙船の設計には、工学、物理学、数学、コンピューターサイエンスなど、さまざまな分野の専門家が協力し、学際的なチームワークに参加します。さらに、宇宙機関、組織、国間の国際協力とパートナーシップは、すべての関係者の相互利益のために専門知識、リソース、機能の共有に役立ちます。宇宙船設計の課題は、専門分野と産業分野での技術革新とエンジニアリングのブレークスルーを推進します。宇宙船設計の複雑さは、STEM科目（科学、技術、エンジニアリング、数学）の学生の関心を引き、科学的リテラシーを育み、次世代の科学者、エンジニア、イノベーターを刺激します。

宇宙船の設計は、1950 年代から 60 年代にかけて、米国とソ連の宇宙探査計画の出現とともに、学問として誕生しました。それ以来、宇宙船の設計は進歩してきましたが、一般的には地上の技術に比べると遅れています。これは、宇宙環境の厳しさが大きな原因ですが、基本的な研究開発の欠如や、設計コミュニティ内のその他の文化的要因も原因です。一方、宇宙旅行アプリケーション設計が遅いもう 1 つの理由は、軌道に到達するためのエネルギー コストが高く、効率が低いことです。このコストは、「初期コスト」としては高すぎるとみなされる可能性があります。^{[引用が必要]}

宇宙船の設計は、次のようなさまざまな分野の側面を統合します。^[要出典]

• ミッション設計と設計要件の導出のための宇宙工学、
• 設計ベースラインの維持とサブシステム 要件の導出のためのシステムエンジニアリング、
• 地上と通信し（テレメトリなど）、測距を実行するサブシステムの設計のための通信工学。
• 搭載コンピューターとコンピューター バスの設計のためのコンピューター エンジニアリング。このサブシステムは主に地上のテクノロジーに基づいていますが、他のほとんどのサブシステムとは異なり、宇宙環境に対応し、高度な自律性を備え、高いフォールト トレランスを提供する必要があります。
  • 宇宙仕様の耐放射線強化コンポーネントを組み込むこともできます。
• すべてのオンボードアプリケーションと低レベルの制御ソフトウェアを実行するオンボードソフトウェアのソフトウェアエンジニアリング。このサブシステムは、地上のリアルタイムおよび組み込みソフトウェア設計と非常によく似ています。
• 船上のすべての機器に電力を生成、蓄積、分配する電力サブシステムの設計のための電気工学。
• 宇宙船を正しく方向付け、ミッションプロファイルに従って軌道を維持または変更する姿勢および軌道制御サブシステムの設計のための制御理論。宇宙での作動および感知に使用されるハードウェアは通常、宇宙船に非常に特化しており、
• 熱工学は、宇宙船の機器の動作と互換性のある環境条件を維持する熱制御サブシステム（ラジエーター、断熱材、ヒーターを含む）の設計に使用されます。このサブシステムは、宇宙では通常、対流が主な熱効果である地球とは対照的に、放射と伝導が熱効果として支配的であるため、宇宙特有の技術を備えています。
• 宇宙船をある軌道から別の軌道へ輸送する手段を提供する推進サブシステムの設計のための推進工学。
• 宇宙船の構造と機構の設計、および真空で使用する材料の選択のための機械工学。これらには、梁、パネル、展開可能な付属物、または分離装置（打ち上げ機から分離するため）が含まれます。

宇宙船バスはペイロードを運びます。そのサブシステムはペイロードをサポートし、ペイロードを正しく向けるのに役立ちます。ペイロードを正しい軌道に乗せ、そこに維持します。ハウスキーピング機能を提供します。また、必要に応じて、軌道と姿勢の維持、電力、コマンド、テレメトリ、データ処理、構造と剛性、温度制御、データ ストレージ、通信も提供します。ペイロードと宇宙船バスは、異なるユニットの場合もあれば、組み合わせたユニットの場合もあります。ブースター アダプターは、車両 (ペイロードと宇宙船バスを一緒に) との負荷搬送インターフェイスを提供します。

宇宙船には、推進剤負荷も搭載されることがあります。推進剤は、機体を上方に押し上げるために使用されます。また、推進キック ステージもあります。一般的に使用される推進剤は、窒素などの圧縮ガス、一元推進剤ヒドラジンなどの液体、または固体燃料で、速度補正と姿勢制御に使用されます。キック ステージ (アポジ ブースト モーター、推進モジュール、または一体型推進ステージとも呼ばれます) では、別のロケット モーターを使用して宇宙船をミッション軌道に送ります。宇宙船を設計する際、使用する軌道は、姿勢制御、熱設計、および電力サブシステムに影響を与えるため、考慮する必要があります。ただし、これらの影響は、軌道によってペイロードに発生する影響に比べると二次的なものです。したがって、ミッションを設計する際、設計者はペイロードのパフォーマンスを向上させる軌道を選択します。設計者は、指向、熱制御、電力量、デューティ サイクルなど、必要な宇宙船のパフォーマンス特性も計算します。その後、すべての要件を満たす宇宙船が製造されます。^[要出典]

姿勢決定および制御サブシステム(ADCS) は、宇宙船の姿勢 (向き) を変更するために使用されます。宇宙船には、その重心を通る軸に沿って外部トルクが作用しており、宇宙船を任意の方向に向け直したり、スピンさせたりすることができます。ADCS は、プロイオンとナビゲーションを使用して、等しく反対のトルクを適用することで、これらのトルクを無効にします。外部トルクを決定するには、ボディの慣性モーメントを計算する必要がありますが、これにはセンサーを使用して車両の絶対姿勢を決定することも必要です。「ジャイロ剛性」と呼ばれる特性は、スピン効果を減らすために使用されます。最も単純な宇宙船は、スピンしたり、地球の磁場や重力場と相互作用したりすることで制御を実現します。制御されない場合もあります。宇宙船には複数のボディがある場合や、個別の姿勢指示が必要な太陽電池アレイや通信アンテナなどの重要な部品に取り付けられている場合があります。付属物の姿勢を制御するために、アクチュエータが使用されることが多く、個別のセンサーとコントローラーが使用されます。使用されるさまざまなタイプの制御技術は次のとおりです。^{[引用が必要]}

• パッシブ制御技術。
• スピンコントロールテクニック。
• 3軸制御技術。

テレメトリ、追跡、コマンド (TT&C) は、宇宙船と地上システム間の通信に使用されます。サブシステムの機能は次のとおりです。

• 地球上のオペレータによる宇宙船の制御
• アップリンク コマンドを受信し、処理して他のサブシステムに送信します。
• サブシステムからのダウンリンクコマンドを受信し、処理して地球に送信します。
• 宇宙船の位置を常に知らせます。

宇宙船に向けて情報を送信するプロセスはアップリンクまたはフォワードリンクと呼ばれ、その逆のプロセスはダウンリンクまたはリターンリンクと呼ばれます。アップリンクはコマンドと測距トーンから構成され、ダウンリンクはステータステレメトリ、測距トーンから構成され、ペイロードデータも含まれる場合があります。受信機、送信機、広角（半球型または全方向性）アンテナは、基本的な通信サブシステムの主なコンポーネントです。データレートの高いシステムでは、必要に応じて指向性アンテナを使用することもできます。サブシステムは、アップリンク信号とダウンリンク信号間のコヒーレンスを提供でき、これを利用してレンジレートドップラーシフトを測定できます。通信サブシステムのサイズは、データレート、許容エラー率、通信パス長、および RF 周波数によって決まります。

宇宙船の大部分は無線アンテナ、つまり衛星通信を使用して通信します。^[要出典] いくつかの宇宙船はレーザーを使用して通信します。LADEEのように地上と直接通信する場合もあれば、 OICETS、Artemis、Alphabus、およびEuropean Data Relay Systemのように衛星間で通信する場合もあります。

電力サブシステム (EPS) は 4 つのサブユニットで構成されています。

• 電源（電池、太陽電池、燃料電池、熱電対）
• 蓄電ユニット（直列電池数）
• 電力分配（ケーブル配線、スイッチング、感電保護）
• 電力調整と制御（バッテリーの過充電と過熱を防ぐため）

熱制御サブシステム (TCS) は、宇宙船のすべてのコンポーネントの温度を一定の制限内に維持するために使用されます。各コンポーネントには、上限と下限の両方が定義されています。制限には、動作条件 (動作中) と非動作条件 (非動作中) の 2 つがあります。温度は、絶縁体、ラジエーター、ヒーター、ルーバーを使用し、コンポーネントに適切な表面仕上げを施すことで制御されます。^{[引用が必要]}

推進サブシステムの主な機能は、推力を提供して宇宙船の並進速度を変更したり、トルクを適用して角運動量を変更したりすることです。最も単純な宇宙船では推力は不要で、したがって推進装置も不要です。しかし、多くの宇宙船ではシステム内で制御された推力が必要なため、設計には何らかの形の計量推進 (少しずつオンとオフを切り替えることができる推進システム) が含まれています。推進は、軌道パラメータの変更、推進中の姿勢制御、速度誤差の修正、操縦、外乱力 (抗力など) への対抗、角運動量の制御と修正などの目的で使用されます。推進サブシステムには、推進剤、タンク、分配システム、加圧剤、推進剤制御が含まれます。また、スラスタまたはエンジンも含まれます。

宇宙船の設計は、常に検討中の宇宙飛行の特定のミッションアーキテクチャによって決まります。通常、飛行の全体的な目的を達成するさまざまなミッションアーキテクチャが想定されます。その目的は、科学的データを収集することであろうと、政府や経済のさまざまな目的のために宇宙環境で貨物を輸送することであろうと関係ありません。^[4]

宇宙飛行ミッションアーキテクチャでは、宇宙船が自律型か遠隔ロボット型か、あるいは特定の緊急事態やミッションの目的に対処するために有人型かを指定します。その他の考慮事項には、高速または低速の軌道、ペイロードの構成と容量、ミッションの長さ、飛行がさまざまなレベルのフォールトトレランスを実現できるようにするためのシステム冗長性のレベルなどがあります。 [ ^4]

• 「ソーラーセイルがSFから現実へ」。ポピュラーメカニクス。

• ウィキメディア・コモンズの宇宙船設計に関連するメディア